生物氧化：丙酮酸脫氫酶反應、檸檬酸循環與呼吸鏈

丙酮酸脫氫酶反應與檸檬酸循環

丙酮酸脫氫酶複合體

概述
- 丙酮酸脫氫酶反應是連接糖解作用和檸檬酸循環的關鍵步驟。
- 將糖解產物丙酮酸轉化為乙醯-CoA。
反應 (氧化脫羧反應)
- 反應物：丙酮酸 $(\text{Pyruvat})$ , 輔酶 A 的硫醇形式 $(\text{CoA-SH})$ , 菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸 $(\text{NAD}^+)$
- 產物：乙醯-CoA $(\text{Acetyl-CoA})$ , 二氧化碳 $(\text{CO}_2)$ , 還原型菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸 $(\text{NADH})$
- 酶複合體：丙酮酸脫氫酶複合體 $(\text{Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex})$ (由 $E1$ 、 $E2$ 、 $E_3$ 三個酶組成)
- 輔因子：硫胺素焦磷酸 $(\text{TPP})$ ，硫辛酸 $(\text{Lipoat})$ ，黃素腺嘌呤二核苷酸 $(\text{FAD})$
- 標準自由能變化： $\Delta G'^\circ = -33.4 \text{ kJ mol}^{-1}$ (此反應具高度放能性，為不可逆反應)
輔酶 A (Coenzym A, CoA) 的結構
- 包含：
 - 活性硫醇基團 (具有反應性)： $\text{HS-CH}2\text{CH}2\text{-}$ （ $\beta\text{-Mercaptoethylamin}$ 部分）
 - 泛酸 $(\text{Pantothensäure})$ 部分
 - 3'-磷酸腺苷二磷酸 $(\text{3'-Phosphoadenosindiphosphat})$ 部分（含有腺嘌呤和核糖-3'-磷酸）
反應機制細節 (丙酮酸脫氫酶複合體)
- 此複合體協調一系列氧化還原反應，涉及五個輔酶：TPP、硫辛酸、FAD、NAD⁺ 和 CoA。
1. 脫羧 (由 $E1$ 催化)：丙酮酸被 $E1$ 結合的 TPP 脫羧，形成羥乙基-TPP 並釋放 $ext{CO}_2$ 。
2. 電子和乙醯基轉移 (由 $E1$ 和 $E2$ 協同)：羥乙基基團從 TPP 轉移到 $E_2$ 上的氧化硫辛醯賴胺 (其雙硫鍵在還原下打開)，形成乙醯硫辛醯胺。
3. 乙醯基團轉移到 CoA (由 $E_2$ 催化)：乙醯基團從硫辛醯胺轉移到游離的 $ext{CoA-SH}$ 上，生成乙醯-CoA。此時，硫辛醯胺仍處於還原狀態。
4. 硫辛醯胺再氧化 (由 $E3$ 催化)：還原的硫辛醯胺將電子轉移給 $E3$ 上的 FAD，使 FAD 還原為 $ext{FADH}_2$ ，同時硫辛醯胺被氧化。
5. $\text{NADH}$ 生成 (由 $E3$ 催化)： $\text{FADH}2$ 將電子轉移給 $ext{NAD}^+$ ，生成 $ext{NADH + H}^+$ 。FAD 再次被氧化，準備參與下一輪反應。

檸檬酸循環 (Krebs Cycle / Citric Acid Cycle)

概述
- 檸檬酸循環是需氧生物能量代謝的中心樞紐。
- 發生在線粒體基質中。
- 將乙醯-CoA 完全氧化為 $ext{CO}2$ ，並生成還原型電子載體 $ext{NADH}$ 和 $ext{FADH}2$ 。
- 同時產生少量的三磷酸鳥苷 (GTP) 或三磷酸腺苷 (ATP) 通過底物水平磷酸化。
循環中的碳原子變化
- 乙醯-CoA ( $2\text{ C}$ ) 與草醯乙酸 ( $4\text{ C}$ ) 結合，形成檸檬酸 ( $6\text{ C}$ )。
- 經過一系列反應，釋放兩個 $ext{CO}_2$ 分子，並再生草醯乙酸 ( $4\text{ C}$ )。
檸檬酸循環的步驟
1. 檸檬酸合酶 (Citratsynthase)
 - 乙醯-CoA $+$ 草醯乙酸 $+$ $ext{H}_2\text{O}$ $\rightarrow$ 檸檬酸 $+$ $ext{CoA-SH}$
 - 反應自由能： $\Delta G'^\circ = -32.2 \text{ kJ/mol}$ 。此為高度放能反應，是檸檬酸循環的限速步驟。
 - 機制：草醯乙酸的羰基碳受到乙醯-CoA 的親核攻擊，形成檸檬醯-CoA 中間體 (Carbanion)。
2. 烏頭酸酶 (Aconitase)
 - 檸檬酸 $\rightleftharpoons$ 順烏頭酸 (中間產物) $ ightleftharpoons$ 異檸檬酸
 - 此步驟涉及脫水和隨後的水合作用，是可逆的。
 - 檸檬酸是三級醇 (不可氧化)，異檸檬酸是二級醇 (可氧化)。
 - 酶含 $4\text{Fe-4S}$ 簇作為輔基，參與水分子移除和添加的催化。
3. 異檸檬酸脫氫酶 (Isocitrat-Dehydrogenase)
 - 異檸檬酸 $+$ $\text{NAD}^+$ $\rightarrow$ $\alpha$ -酮戊二酸 $+$ $\text{CO}_2$ $+$ $\text{NADH + H}^+$
 - 此為氧化脫羧反應。
 - 中間體為草醯琥珀酸 (Oxal-Succinat)，一種不穩定的 $\beta$ -酮酸，易於脫羧。
 - 部分組織中，也可以使用 $ext{NADP}^+/\text{NADPH}$ 作為輔酶。
4. $\alpha$ -酮戊二酸脫氫酶複合體 ( $\alpha$ -Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex)
 - $\alpha$ -酮戊二酸 $+$ $\text{NAD}^+$ $+$ $\text{CoA-SH}$ $\rightarrow$ 琥珀醯-CoA $+$ $\text{CO}_2$ $+$ $\text{NADH + H}^+$
 - 此反應與丙酮酸脫氫酶複合體催化的反應機制類似，需要相同的輔因子 (TPP、硫辛酸、FAD)。
 - 中間產物是琥珀醯半醛。
5. 琥珀醯-CoA 合成酶 (Succinyl-CoA-Synthetase) / 琥珀酸硫激酶 (Succinat-thiokinase)
 - 琥珀醯-CoA $+$ $\text{GDP}$ (或 ADP) $+$ $\text{Pi}$ $\rightarrow$ 琥珀酸 $+$ $\text{GTP}$ (或 ATP) $+$ $\text{CoA-SH}$
 - 反應自由能： $\Delta G'^\circ = -33 \text{ kJ/mol}$ (此步驟為底物水平磷酸化)。
 - 利用琥珀醯-CoA 高能硫酯鍵的水解能量來合成 GTP (或 ATP)。
 - 此反應涉及一個磷酸化的組氨酸殘基作為中間體。
6. 琥珀酸脫氫酶 (Succinat-Dehydrogenase)
 - 琥珀酸 $+$ $\text{FAD}$ $\rightarrow$ 延胡索酸 $+$ $\text{FADH}_2$
 - 此酶是呼吸鏈複合體 II 的組成部分，嵌合在線粒體內膜上。
 - 延胡索酸是 "trans" 型異構體 (反式延胡索酸)。
7. 延胡索酸酶 (Fumarase) / 延胡索酸水合酶 (Fumarat-Hydratase)
 - 延胡索酸 $+$ $\text{H}_2\text{O}$ $\rightarrow$ L-蘋果酸
 - 此水合反應具高度立體特異性，只產生 L-蘋果酸。
8. 蘋果酸脫氫酶 (Malat-Dehydrogenase)
 - L-蘋果酸 $+$ $\text{NAD}^+$ $\rightarrow$ 草醯乙酸 $+$ $\text{NADH + H}^+$
 - 反應自由能： $\Delta G'^\circ = +29.7 \text{ kJ/mol}$ 。雖然在標準條件下是吸能反應，但在細胞中，產物草醯乙酸會迅速被檸檬酸合酶消耗，使反應朝正向進行。
 - 再生草醯乙酸，確保循環的持續進行。
檸檬酸循環的能量產量 (分解代謝功能) (以肌肉組織為例，每個乙醯-CoA)
- 異檸檬酸脫氫酶： $1 \text{ NADH} \rightarrow 2.5 \text{ ATP}$
- $\alpha$ -酮戊二酸脫氫酶： $1 \text{ NADH} \rightarrow 2.5 \text{ ATP}$
- 琥珀醯-CoA 合成酶： $1 \text{ GTP} \rightarrow 1 \text{ ATP}$
- 琥珀酸脫氫酶： $1 \text{ FADH}_2 \rightarrow 1.5 \text{ ATP}$
- 蘋果酸脫氫酶： $1 \text{ NADH} \rightarrow 2.5 \text{ ATP}$
- 總計： $2.5 + 2.5 + 1 + 1.5 + 2.5 = 10 \text{ ATP}$
檸檬酸循環的合成代謝功能 (anabole Funktion)
- 檸檬酸循環的中間產物是其他生物合成途徑的起點：
  - 檸檬酸：脂肪酸和類固醇合成的前體。
  - $\alpha$ -酮戊二酸：通過轉胺作用生成麩胺酸，進而合成麩醯胺酸、脯胺酸、精胺酸和嘌呤。
  - 琥珀醯-CoA：血紅素和卟啉合成的前體。
  - 草醯乙酸：通過轉胺作用生成天門冬胺酸，進而合成天門冬醯胺和嘧啶；也是糖質新生 (Gluconeogenese) 的前體。
補充反應 (Anaplerotische Reaktionen)
- 當檸檬酸循環的中間產物因生物合成而被抽走時，需要補充反應來維持循環的運作。
- 丙酮酸羧化酶 (Pyruvat-Carboxylase) (存在於肝臟、腎臟):
  - 丙酮酸 $+$ $\text{HCO}_3^-$ $+$ $\text{ATP}$ $\rightarrow$ 草醯乙酸 $+$ $\text{ADP}$ $+$ $\text{Pi}$
- 磷酸烯醇丙酮酸羧激酶 (Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase) (存在於肌肉):
  - 磷酸烯醇丙酮酸 $(\text{PEP})$ $+$ $\text{HCO}_3^-$ $+$ $\text{GDP}$ $\rightarrow$ 草醯乙酸 $+$ $\text{GTP}$
- 蘋果酸酶 (Malat-Enzym) (廣泛存在):
  - 蘋果酸 $+$ $\text{NAD(P)}^+$ $\rightarrow$ 丙酮酸 $+$ $\text{HCO}_3^-$ $+$ $\text{NAD(P)H}$
檸檬酸循環的調控
- 三個主要層面：
  - a) 底物供應 (如乙醯-CoA 和草醯乙酸的可用性)
  - b) $ext{NADH/NAD}^+$ 比例 (高比例表示能量充足，抑制循環)
  - c) $ext{ATP/ADP}$ 比例 (高比例表示能量充足，抑制循環)
- 丙酮酸脫氫酶複合體的調控
  - 抑制劑：ATP, 乙醯-CoA, NADH, 脂肪酸 (表明能量充足和生物合成活性)
  - 活化劑：AMP, CoA, NAD⁺, $\text{Ca}^{2+}$ (表明能量需求)
  - 也受激素影響：胰高血糖素/腎上腺素 ( $\beta$ -受體) 引起肝臟磷酸化抑制；胰島素引發肝臟、脂肪去磷酸化激活。
- 檸檬酸合酶的調控
  - 抑制劑：NADH, 琥珀醯-CoA, 檸檬酸, ATP (產物和高能量信號)
  - 活化劑：ADP (低能量信號)
- 異檸檬酸脫氫酶的調控
  - 抑制劑：ATP
  - 活化劑： $\text{Ca}^{2+}$ , ADP
- $\alpha$ -酮戊二酸脫氫酶複合體的調控
  - 抑制劑：琥珀醯-CoA, NADH
  - 活化劑： $\text{Ca}^{2+}$
- 琥珀酸脫氫酶的調控
  - 抑制劑：琥珀醯-CoA
- 蘋果酸脫氫酶的調控
  - 抑制劑：NADH
- 丙酮酸羧化酶的調控 (補充反應)
  - 活化劑：乙醯-CoA

呼吸鏈 (Atmungskette) 與氧化磷酸化 (Oxidative Phosphorylierung)

概述
- 氧化磷酸化整合了胺基酸、脂肪和碳水化合物分解代謝產生的能量，是需氧生物獲取主要能量的方式。
- 是細胞呼吸的巔峰。
化學滲透學說 (Chemiosmotische Theorie)
- 電子通過線粒體內膜上的膜嵌合載體流動 (電子傳遞鏈)。
- 這個放能的電子流產生自由能，用於將質子 (H⁺) 從線粒體基質泵入膜間腔，建立質子梯度 (電化學梯度)。
- 質子沿著濃度梯度流回基質，通過 ATP 合成酶，將質子流的自由能用於催化 ADP 和 Pi 合成 ATP。
線粒體結構與功能
- 外膜：含有孔蛋白通道，對小分子和離子具有通透性。
- 內膜：不通透於大多數小分子和離子 (包括 H⁺)。
 - 是電子傳遞鏈複合體 (I-IV) 的主要位置。
 - 含有 ADP-ATP 轉運載體和 ATP 合成酶 ( $\text{F}0\text{F}1$ )。
 - 內膜向內摺疊形成嵴 (Cristae)，顯著增加表面積。
- 基質：含有丙酮酸脫氫酶複合體、檸檬酸循環酶、脂肪酸 $\beta$ -氧化酶、胺基酸氧化酶以及 DNA, 核糖體和各種代謝中間產物。
電子進入呼吸鏈
- $\text{NADH}$ (來自糖解、檸檬酸循環等) 將電子交給複合體 I。
- 琥珀酸 (來自檸檬酸循環) 將電子交給複合體 II (其實是琥珀酸脫氫酶)。
- 總反應： $\frac{1}{2} \text{O}2 + \text{NADH + H}^+ \rightarrow \text{H}2\text{O} + \text{NAD}^+$ ，標準電勢變化： $\Delta E'^\circ = 1.136 \text{ V}$ 。
脫氫酶產生的還原型輔酶
- NAD-依賴性脫氫酶：
  - $\alpha$ -酮戊二酸脫氫酶 (基質)
  - L-蘋果酸脫氫酶 (基質)
  - 丙酮酸脫氫酶 (基質)
  - 甘油醛-3-磷酸脫氫酶 (胞質)
  - 乳酸脫氫酶 (基質和胞質)
  - $\beta$ -羥醯基-CoA 脫氫酶 (基質)
- NADP-依賴性脫氫酶：
  - 葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (胞質)
- NAD 或 NADP 依賴性脫氫酶：
  - L-麩胺酸脫氫酶 (基質)
  - 異檸檬酸脫氫酶 (基質和胞質)
- $\beta$ -羥丁酸脫氫酶。
電子載體組分
- 泛醌 (Ubichinon, Coenzym Q, CoQ)
  - 一種帶有長異戊二烯側鏈的脂溶性醌類，使其能自由在內膜中擴散。
  - 可在氧化形式 (醌)、自由基形式 (半醌) 和還原型 (氫醌) 之間轉換。
  - 能接收和捐獻單電子或雙電子。
- 細胞色素 (Cytochrome)
  - 含血紅素的蛋白質，通過血紅素中的鐵原子 ( $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ ) 進行單電子轉移。
  - 血紅素種類：血紅素 a (帶有疏水側鏈), 血紅素 b (非共價結合), 血紅素 c (共價結合到蛋白質半胱胺酸)。
- 鐵硫蛋白 (Eisen-Schwefel-Proteine)
  - 鐵原子 ( $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ ) 以簇形式 ( $[2\text{Fe}-2\text{S}]$ 或 $[4\text{Fe}-4\text{S}]$ ) 存在，參與亞單位的單電子轉移。
  - Rieske-鐵硫蛋白是一種特殊類型，其中的鐵原子與兩個組氨酸殘基配位。
呼吸鏈中的氧化還原電位 ( $E'^\circ$ )
- 電子從較低的還原電位 (如 $\text{NADH/NAD}^+$ 為 $-0.320 \text{ V}$ ) 流向較高的還原電位 (如 $\text{O}2/\text{H}2\text{O}$ 為 $+0.816 \text{ V}$ )。
- 複合體 I (NADH-FMN)： $\Delta E'^\circ = 0.360 \text{ V}$ , $\Delta G'^\circ = -69.5 \text{ kJ mol}^{-1}$ 。
- 複合體 II：琥珀酸 $(\text{FADH}_2)$ 直接將電子傳遞給泛醌。
- 複合體 III (泛醌-細胞色素 c 氧化還原酶)： $\Delta E'^\circ = 0.190 \text{ V}$ , $\Delta G'^\circ = -36.7 \text{ kJ mol}^{-1}$ 。
- 複合體 IV (細胞色素氧化酶)： $\Delta E'^\circ = 0.580 \text{ V}$ , $\Delta G'^\circ = -112 \text{ kJ mol}^{-1}$ 。
酶複合體概覽
- 複合體 I (NADH-脫氫酶)
 - 分子量： $850 \text{ kDa}$ ; 亞基數： $42$ (核心 $14$ )
 - 輔基：FMN, 鐵硫簇
- 複合體 II (琥珀酸脫氫酶)
 - 分子量： $140 \text{ kDa}$ ; 亞基數： $5$
 - 輔基：FAD, 鐵硫簇
- 複合體 III (泛醌-細胞色素 c 氧化還原酶)
 - 分子量： $250 \text{ kDa}$ ; 亞基數： $11$
 - 輔基：血紅素 ( $\text{b}\text{L}, \text{b}\text{H}, \text{c}_1$ ), 鐵硫簇
- 細胞色素 c
 - 分子量： $13 \text{ kDa}$ ; 亞基數： $1$
 - 輔基：血紅素 c
- 複合體 IV (細胞色素氧化酶)
 - 分子量： $160 \text{ kDa}$ ; 亞基數： $13$ (核心 $3\sim4$ )
 - 輔基：血紅素 ( $\text{a, a}3$ ), $\text{Cu}{\text{A}}, \text{Cu}_{\text{B}}$
呼吸鏈過程
- $\text{NADH}$ 將電子傳遞給複合體 I，同時 $4 \text{H}^+$ 從基質泵出到膜間腔。
- 琥珀酸 (通過複合體 II) 將電子傳遞給泛醌 (UQ)。
- 泛醌接收電子後，將電子傳遞給複合體 III，同時 $4 \text{H}^+$ 被泵出。
- 複合體 III 將電子傳遞給細胞色素 c ( $\text{Cyt c}$ )。
- 細胞色素 c 將電子傳遞給複合體 IV，同時 $2 \text{H}^+$ 被泵出。
- 複合體 IV 將電子傳遞給氧氣 ( $\frac{1}{2} \text{O}2$ )，最終電子受體，與 $2 \text{H}^+$ 結合形成水 ( $\text{H}2\text{O}$ )。
- 泵出的質子在膜間腔 (p-側) 形成高濃度，基質 (N-側) 質子濃度較低，產生質子動力勢，驅動 ATP 合成酶合成 ATP。